王程程，朱立谷，張迪

(中國(guó)傳媒大學(xué) 理工學(xué)部 安防大數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024)

一種面向時(shí)序數(shù)據(jù)的交互式可視化系統(tǒng)

王程程，朱立谷，張迪

(中國(guó)傳媒大學(xué) 理工學(xué)部 安防大數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024)

在科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、工程、工程等各領(lǐng)域，每時(shí)每刻都產(chǎn)生大量時(shí)序數(shù)據(jù)。挖掘多維時(shí)序數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的相關(guān)性特征和周期性規(guī)律，是可視分析領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本文在總結(jié)了過(guò)往案例和可視化方法的基礎(chǔ)上，提出了一種稱(chēng)為時(shí)序螺旋的可視化交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于時(shí)間粒度和時(shí)間原語(yǔ)的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在通過(guò)可視分析的方法，挖掘數(shù)據(jù)維度之間的相關(guān)性關(guān)系和周期性規(guī)律。時(shí)序螺旋綜合了年輪圖、族線(xiàn)等多種周期性數(shù)據(jù)可視化布局方法，并輔以多種交互模型互為補(bǔ)充。最后以實(shí)際數(shù)據(jù)集的分析案例展示了我們的方法在探索和理解多維時(shí)序數(shù)據(jù)的有效性。

時(shí)序數(shù)據(jù)；可視分析；人機(jī)交互；用戶(hù)界面；周期性規(guī)律

1 引言

時(shí)序數(shù)據(jù)是依照時(shí)間順序取得的一系列觀(guān)測(cè)值或事件，在科學(xué)、工程、經(jīng)濟(jì)等人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域都廣泛存在。時(shí)序數(shù)據(jù)作為7種基本數(shù)據(jù)類(lèi)型之一，與普通的數(shù)據(jù)集不同，其分布成線(xiàn)性展開(kāi)，并且經(jīng)常涵蓋周期性規(guī)律。這一觀(guān)點(diǎn)也被早期的一些視覺(jué)領(lǐng)域?qū)＜姨岢?，例如Sheiderman[1]和Mackinlay[2]例如天象的周期性變化，音樂(lè)旋律回到了最初的主題等。探索這些變量隨著時(shí)間上升和下降的趨勢(shì)及其周期性規(guī)律，有助于人們根據(jù)過(guò)去的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)未來(lái)。

然而，時(shí)間作為一個(gè)特殊的維度，其中存在著時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間范圍、時(shí)間粒度三個(gè)測(cè)量尺度[3]。許多現(xiàn)有的可視分析軟件將時(shí)間維度當(dāng)作一個(gè)展平的數(shù)值維度來(lái)看待，并忽略了時(shí)間維度中不同粒度、不同間隔下的復(fù)雜行為。同時(shí)，共享同一個(gè)時(shí)間軸的多個(gè)數(shù)據(jù)維度之間，往往具有相關(guān)性，甚至擁有類(lèi)似的周期性規(guī)律。如何從時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間范圍、時(shí)間粒度這三個(gè)尺度的變化，去考察多個(gè)維度之間的相關(guān)性和周期性，是一個(gè)研究的難點(diǎn)。此外，多維數(shù)據(jù)的顯示和排列，與有限的顯示空間構(gòu)成了矛盾。這意味著需要有足夠靈活的交互技術(shù)來(lái)輔助多維時(shí)序數(shù)據(jù)的可視分析。

基于上述問(wèn)題，本文提出了一種稱(chēng)為時(shí)序螺旋的交互可視化系統(tǒng)，從交互的角度分析和探索時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間范圍、時(shí)間粒度這三種時(shí)間變化尺度與多維屬性之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)，談?wù)摵蛯?shí)例演示了如何使用多個(gè)協(xié)調(diào)的視圖，顯示多個(gè)不同的數(shù)據(jù)維度，通過(guò)多視圖、概覽加細(xì)節(jié)、聚焦+上下文模型等交互模型探索數(shù)據(jù)維度之間的相關(guān)性關(guān)系和周期性規(guī)律。本文的貢獻(xiàn)包括：

?在多維度中同時(shí)調(diào)查時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間范圍和時(shí)間粒度的方法。

?合理的視覺(jué)編碼和綜合的交互方式，保持時(shí)序上下文的同時(shí)促進(jìn)分析

?通過(guò)探索多維時(shí)序數(shù)據(jù)實(shí)例說(shuō)明該方法的有效性

2 相關(guān)工作

時(shí)間是一種測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是一種特殊的維度。對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行探索和分析時(shí)，需要在可視化布局方法、表達(dá)方式、交互方式等方面不斷探索[4]。同時(shí)，與時(shí)序數(shù)據(jù)可視化相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具和類(lèi)庫(kù)亦在調(diào)查之列。

2.1 可視化布局方法

Aigner等人[5]總結(jié)了超過(guò)100種可視化技術(shù)，其中既有通用的技術(shù)，也有是針對(duì)特定問(wèn)題設(shè)計(jì)的研究模型。從時(shí)序數(shù)據(jù)的周期性規(guī)律的挖掘和比對(duì)角度而言，有如下幾類(lèi)可視化布局值得注意：

?通用統(tǒng)計(jì)圖，若將時(shí)間作為一般屬性來(lái)處理，那么大多數(shù)統(tǒng)計(jì)圖表都具有處理時(shí)序數(shù)據(jù)的能力。例如折線(xiàn)圖，散點(diǎn)圖，平行坐標(biāo)圖[6]，星形圖[7]等。使用通用統(tǒng)計(jì)圖表時(shí)，通常會(huì)將時(shí)間投影到單一屬性軸上，并用有明確的刻度線(xiàn)描繪時(shí)間記錄，即時(shí)間軸。文獻(xiàn)[8]提出了時(shí)間軸的眾多改良方法。

?樹(shù)圖，它是一種層次數(shù)據(jù)的可視化方法，允許用戶(hù)對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速評(píng)估。在展示時(shí)序數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)時(shí)間記錄的周期進(jìn)行分層，然后對(duì)每一周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值量化處理，從而分析其周期性規(guī)律。GOUTHAMI[9]即是這樣一種可視化交互系統(tǒng)，綜合了樹(shù)圖提供整體概述的優(yōu)勢(shì)，配合一般統(tǒng)計(jì)圖探索時(shí)序數(shù)據(jù)的趨勢(shì)。

?螺旋圖，是時(shí)間軸的徑向布局模式，有利于分析時(shí)序數(shù)據(jù)的周期特征。1998年carlis等人首次提出采用螺旋作為可視化布局的中心元素，輔以簡(jiǎn)單的條形圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼[10]。之后，螺旋圖在維度[11]、螺線(xiàn)形狀模型[12]、交互[13]等方面不斷改進(jìn)和發(fā)展。

?日歷圖，日歷圖[14]可以按日歷的形式展示時(shí)間序列數(shù)據(jù)的全局特征，對(duì)于單變量的、特定的、已知時(shí)間尺度的時(shí)間序列數(shù)據(jù)表現(xiàn)效果較好，對(duì)于多變量的、位置的、無(wú)先驗(yàn)知識(shí)的時(shí)間序列的表現(xiàn)具有一定局限性。一個(gè)改良是基于像素圖的方法，擴(kuò)展其變量展示數(shù)量和時(shí)間范圍[15]。

2.2 表達(dá)方式

目前研究中，時(shí)序數(shù)據(jù)的主流表現(xiàn)方式是二維圖表。除此以外1)順序動(dòng)畫(huà)，優(yōu)點(diǎn)是呈現(xiàn)效果沖擊力強(qiáng)，但是并不適合分析趨勢(shì)[16]；2)三維方法[17]，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀(guān)，但是由于透視原因會(huì)遮擋或隱藏部分信息，因此并不是可視分析領(lǐng)域的主流表現(xiàn)方式；3)柵格圖表達(dá)法[18]，可以將時(shí)序數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)小圖表表示，方便對(duì)比和查看細(xì)節(jié)，對(duì)其排序又可獲得一定的趨勢(shì)概覽，是二維圖表表達(dá)的有力補(bǔ)充；4)隱喻表達(dá)法，例如ThemeRiver[19]用河流比喻時(shí)間，文獻(xiàn)[20]用樹(shù)的年輪比喻時(shí)間，都有助于用戶(hù)理解和使用可視化環(huán)境。

2.3 交互方式

對(duì)于時(shí)序數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，除了視覺(jué)呈現(xiàn)部分，另一核心要素是用戶(hù)交互。交互能讓用戶(hù)更好地參與對(duì)數(shù)據(jù)的理解與分析，同時(shí)緩解有限的可視化空間與數(shù)據(jù)過(guò)載之間的矛盾。在目前的研究中，常用的交互模型有三種：1)概覽+細(xì)節(jié)模型：該模型旨在解決用戶(hù)同一時(shí)間段內(nèi)只能關(guān)注有限數(shù)據(jù)的問(wèn)題，首先提供全局視圖，然后通過(guò)縮放、過(guò)濾等交互操作獲得數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)；2)聚焦+上下文模型，該模型旨在為用戶(hù)呈現(xiàn)細(xì)節(jié)的同時(shí)適度地展示其上下文信息；3)多視圖模型，指對(duì)應(yīng)于相同數(shù)據(jù)的不同視圖相互關(guān)聯(lián)，對(duì)其中任意一個(gè)視圖進(jìn)行操作，其余視圖的內(nèi)容都可以隨之變化，可以充分利用多視圖協(xié)同呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的不同特征。以上三種模型，可以互相補(bǔ)充，同時(shí)應(yīng)用于同一個(gè)時(shí)序數(shù)據(jù)交互式可視化系統(tǒng)中。

2.4 相關(guān)開(kāi)發(fā)工具和軟件庫(kù)

為了簡(jiǎn)化具體領(lǐng)域可視化應(yīng)用的開(kāi)發(fā)過(guò)程，研究人員開(kāi)發(fā)了很多通用軟件庫(kù)，如perfuse[21]，D3[22]，Tulip[23]，Obvious[24]，simile Timeline[25]等。但是這些類(lèi)庫(kù)和工具把重點(diǎn)放在了數(shù)據(jù)的視覺(jué)映射，而缺乏對(duì)時(shí)間維度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的支持，尤其是對(duì)于時(shí)間粒度和周期缺乏支持。這使得實(shí)現(xiàn)時(shí)序數(shù)據(jù)的各種可視化方法、交互技術(shù)，需要對(duì)各種算法進(jìn)行繁瑣、重復(fù)的開(kāi)發(fā)，這一問(wèn)題阻礙了時(shí)序數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用的發(fā)展。

3 時(shí)間相關(guān)的概念模型

為了方便探查時(shí)序數(shù)據(jù)，需要一些人為抽象概念輔助描述，包括時(shí)間粒度和時(shí)間謂詞。這些概念同時(shí)也是時(shí)間導(dǎo)向數(shù)據(jù)分析重要的兩個(gè)相關(guān)內(nèi)容，可以幫助建立時(shí)序數(shù)據(jù)分析模型。

3.1 時(shí)間粒度

通常意義上的時(shí)間粒度，比如秒、分鐘、小時(shí)、日、周、月、年等，最初來(lái)自于歷法系統(tǒng)。而歷法系統(tǒng)本身，即是人類(lèi)對(duì)事務(wù)周期性特征的總結(jié)，因此對(duì)于時(shí)序螺旋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。Bettin等人[26]給出了一套完整和正式的時(shí)間粒度定義：在離散化的時(shí)間維度由不可分割的原子單位時(shí)間子組成，這些時(shí)間子用整數(shù)表示。時(shí)間粒度被定義為從離散時(shí)間域的時(shí)間子到這些時(shí)間子子集的映射。此外，他們還定義了分組操作，允許精細(xì)的粒度分組為粗粒度。例如，如果時(shí)間子是“天”，那么它可以被分組為“月”或“年”。不同國(guó)家或宗教的歷法系統(tǒng)各不相同，例如瑪雅歷法中一個(gè)月是20天，公歷中一個(gè)月是28-31天。只要時(shí)間子一致，那么像這樣不受限于單一歷法的時(shí)間粒度也可以用這種映射表示。以上定義為時(shí)間粒度的切換、周期性特征的提取提供了方便。

然而，現(xiàn)有的工具大多只能在一組常用的時(shí)間粒度上進(jìn)行切換，不能放在一個(gè)更通用的場(chǎng)景下。由于時(shí)間的復(fù)雜性和重要性，依然需要聚焦于處理時(shí)間本身的庫(kù)。tauZaman[27]是這樣一個(gè)強(qiáng)力的客戶(hù)端/服務(wù)器系統(tǒng)，支持不同歷法系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。在時(shí)序螺旋系統(tǒng)中，我們使用tauZaman解決時(shí)間粒度和歷法系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。

3.2 時(shí)間謂詞

按照要描述一個(gè)和時(shí)間有關(guān)的事件或者記錄，需要用時(shí)間謂詞來(lái)組織它們?cè)跁r(shí)間維度上的展現(xiàn)形式。Goralwalla等人[28]定義了數(shù)個(gè)時(shí)間原語(yǔ)：瞬時(shí)點(diǎn)，時(shí)間間隔和時(shí)間跨度。其中后兩者的區(qū)別在于，跨度是一個(gè)相對(duì)的時(shí)間段度量，沒(méi)有被固定在某兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間，而間隔是被定位在兩個(gè)固定時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間點(diǎn)度量。例如，可以用兩個(gè)瞬時(shí)點(diǎn)來(lái)構(gòu)成一個(gè)時(shí)間間隔，也可以用一個(gè)瞬時(shí)點(diǎn)和一個(gè)時(shí)間跨度構(gòu)成一個(gè)時(shí)間間隔。

雖然所有的類(lèi)庫(kù)和工具都可以處理綁定到瞬時(shí)點(diǎn)instant上的數(shù)據(jù)，但其中只有很少一部分支持時(shí)間間隔和時(shí)間跨度。Alexander，Tim等人提出的TimeBench即是這樣一類(lèi)解決時(shí)間本身的邏輯處理問(wèn)題的類(lèi)庫(kù)。TimeBench用一個(gè)通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將時(shí)間謂詞、數(shù)據(jù)到時(shí)間描述的映射表和數(shù)據(jù)三者與最后的可視化界面分離，并耦合在一個(gè)java語(yǔ)言的可視化軟件庫(kù)prefuse中去。在時(shí)序螺旋系統(tǒng)中，我們仿照timeBench的理念，在web前端用javascript實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似的功能，將時(shí)間謂詞與可視化界面分離，方便用戶(hù)從時(shí)間間隔和時(shí)間跨度角度查看數(shù)據(jù)。

3.3 視覺(jué)設(shè)計(jì)

基于時(shí)間以上時(shí)間維度的相關(guān)概念的討論和分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了名為時(shí)序螺旋的時(shí)序數(shù)據(jù)互動(dòng)可視分析原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)的界面如圖1所示，分為三個(gè)主要部分：1)概覽圖，2)柵格圖，3)粒度調(diào)節(jié)器。

1)概覽圖。在原型系統(tǒng)中面積最大的部分是數(shù)據(jù)概覽圖。通常情況下，它以年輪圖形式的徑向布局呈現(xiàn)多維時(shí)序數(shù)據(jù)。這是一種類(lèi)似螺旋圖的布局形式，圖中的一環(huán)代表一個(gè)周期時(shí)間粒度，環(huán)上的刻度代表當(dāng)前所選定的基時(shí)間粒度。時(shí)序數(shù)據(jù)值默認(rèn)情況下用曲線(xiàn)表示，也可以切換為柱形，花瓣等形式表現(xiàn)。時(shí)序數(shù)據(jù)的不同維度使用不同的顏色表示。相對(duì)直線(xiàn)布局，徑向布局的優(yōu)勢(shì)是它提供了一種更為緊湊的布局，可以對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性和周期的雙重編碼，同時(shí)年輪的隱喻也有助于用戶(hù)對(duì)可視化內(nèi)容的理解。

在實(shí)際使用中，年輪圖還有兩個(gè)問(wèn)題需要處理。其一是螺旋爆炸問(wèn)題。即當(dāng)時(shí)間粒度選擇過(guò)小時(shí)，無(wú)可避免地會(huì)導(dǎo)致年輪數(shù)爆炸激增，圈的寬度逼近1像素，無(wú)法顯示多維數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

圖1 系統(tǒng)界面圖

針對(duì)螺旋爆炸問(wèn)題，我們仿照魚(yú)眼timeline[29]的思路，引入了基于焦點(diǎn)與上下文交互技術(shù)的解決方案。年輪圖的魚(yú)眼可視化結(jié)構(gòu)由沿半徑方向排列的三種區(qū)域組成：正常區(qū)、壓縮區(qū)和折疊區(qū)，如圖2所示。需重點(diǎn)顯示的焦點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)的時(shí)序數(shù)據(jù)在正常區(qū)內(nèi)正常顯示，其上下文時(shí)間段在壓縮區(qū)以縮略的方式編碼，其余時(shí)間段在折疊區(qū)僅以環(huán)形表示。用戶(hù)可操縱鼠標(biāo)在年輪圖上沿半徑軸方向滑動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)時(shí)序數(shù)據(jù)的切換顯示，簡(jiǎn)捷易行。如此可保證整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的所有時(shí)序數(shù)據(jù)都可以顯示在概覽區(qū)內(nèi)。與此同時(shí)，各區(qū)域也保持了完整的上下文關(guān)系，這也解決了時(shí)間連續(xù)性的問(wèn)題。

需要說(shuō)明的是，線(xiàn)性布局的魚(yú)眼timeline的一個(gè)聚焦+上下文區(qū)域中每段比例大約是：1：2：4：2：1(其中比例為4的是正常區(qū)，其余為壓縮區(qū))。但是，徑向布局的年輪圖存在內(nèi)環(huán)周長(zhǎng)較小的問(wèn)題，如果采用類(lèi)似比例生成年輪圖的一個(gè)5環(huán)聚焦+上下文區(qū)域，則每環(huán)周長(zhǎng)比例為：1：3：7：9：10。其中最內(nèi)的環(huán)與最外側(cè)的環(huán)周長(zhǎng)相差10倍，這將導(dǎo)致內(nèi)環(huán)周長(zhǎng)過(guò)小難以查看內(nèi)環(huán)數(shù)據(jù)。因此，本文中采用了優(yōu)化方法，提高內(nèi)環(huán)半徑的比例。設(shè)有一個(gè)5環(huán)聚焦+上下文區(qū)域，調(diào)整徑向等比例為2：3：4：2：1則其周長(zhǎng)比例為2：5：9：11：12。在此種情況下，最小環(huán)與最大環(huán)的周長(zhǎng)比例為1：6。

圖2 年輪圖的上下文模型可視化結(jié)構(gòu)。A區(qū)是圖中突出顯示的正常區(qū)，B區(qū)是壓縮區(qū)，C區(qū)是折疊區(qū)

第二個(gè)問(wèn)題是，年輪圖不能完全滿(mǎn)足多維數(shù)據(jù)的比對(duì)需求。這是因?yàn)橐环矫嫒祟?lèi)視覺(jué)對(duì)角度敏感度較低，難以對(duì)半徑上的坐標(biāo)進(jìn)行精確讀值；另一方面徑向布局空間緊湊導(dǎo)致圖元重疊問(wèn)題明顯，容易造成視覺(jué)混淆。對(duì)此，時(shí)序螺旋的主要解決方法是在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)進(jìn)行降維，控制顯示維度的數(shù)量。使用合適的顏色主題，使用相近顏色對(duì)同類(lèi)維度數(shù)據(jù)進(jìn)行上色，以提高識(shí)別率。此外，概覽圖還可以把時(shí)間軸從徑向布局切換為線(xiàn)性布局(如圖3)，以幫助用戶(hù)精確讀值，分析一般趨勢(shì)。

2)柵格圖。柵格圖是時(shí)序數(shù)據(jù)維度的細(xì)節(jié)視圖，由復(fù)數(shù)個(gè)族線(xiàn)圖組成。概覽圖與柵格圖共同組成了概覽加細(xì)節(jié)的交互模型。通過(guò)在概覽圖中選擇時(shí)間跨度的方式，用戶(hù)可以選取感興趣的片段分析其周期性規(guī)律。興趣片段中的每個(gè)數(shù)據(jù)維度，都將生成一個(gè)族線(xiàn)圖。在族線(xiàn)圖中，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)代表時(shí)序數(shù)值。在同一個(gè)X-Y坐標(biāo)系中顯示多個(gè)周期，每個(gè)周期分別是一條曲線(xiàn)表示，曲線(xiàn)以不同透明度區(qū)分，能夠提供非常好的分析，比較以及趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

圖3 概覽視圖由徑向布局切換為線(xiàn)性布局。原來(lái)每個(gè)環(huán)(周期)轉(zhuǎn)換成單一的直線(xiàn)時(shí)間軸表示

圖4 族線(xiàn)圖實(shí)例

3)時(shí)間粒度調(diào)節(jié)器。它包含兩個(gè)部分，其一是數(shù)據(jù)維度列表。類(lèi)似于photoshop對(duì)圖層的操作，例如用戶(hù)可以隱藏、鎖定數(shù)據(jù)維度，這些操作將同時(shí)反映到概覽視圖和柵格圖上；用戶(hù)還可以更改維度的備注名或顏色以使其獲得一些語(yǔ)義；更進(jìn)一步地，用戶(hù)可以改變列表中數(shù)據(jù)維度的順序，例如將一個(gè)數(shù)據(jù)維度置于其他數(shù)據(jù)維度之前——此操作將導(dǎo)致概覽視圖刷新，讓選中的數(shù)據(jù)維度最后一個(gè)渲染(即顯示在最上層)，同時(shí)將導(dǎo)致柵格視圖重排序，將選中的數(shù)據(jù)維度的族線(xiàn)圖置于最前。以上對(duì)數(shù)據(jù)維度的過(guò)濾、排序等交互將有助于用戶(hù)突出重點(diǎn)，發(fā)掘規(guī)律。

第二個(gè)部分是時(shí)間粒度選擇器。時(shí)序螺旋系統(tǒng)會(huì)生成一條數(shù)軸，在該數(shù)軸上，按照所包含的時(shí)間子數(shù)量，順序排列著一系列常用粒度按鈕，如秒、分、小時(shí)、天、周、月、年。用戶(hù)需要指定系統(tǒng)的基時(shí)間粒度(即概覽圖中最小刻度所代表的時(shí)間粒度)和周期時(shí)間粒度(即概覽圖中一環(huán)所代表的時(shí)間粒度)以生成概覽圖。每次用戶(hù)修改基時(shí)間粒度或周期時(shí)間粒度，概覽圖和與之對(duì)應(yīng)的柵格圖都會(huì)跟著刷新。

除此以外，時(shí)序螺旋系統(tǒng)允許用戶(hù)自定義新的粒度。例如，用戶(hù)可以先選定時(shí)間粒度天，然后在概覽圖中選擇10天，并定義為新的時(shí)間粒度“旬”。新的時(shí)間粒度將顯示在數(shù)軸上。時(shí)序螺旋系統(tǒng)還允許用戶(hù)選擇不同的歷法系統(tǒng)。例如，中國(guó)農(nóng)歷中的日月年。選擇新歷法將生成一條新的時(shí)間粒度軸。用戶(hù)可以在舊的粒度軸和新的粒度軸之間做切換。

4 案例研究

案例一：

案例數(shù)據(jù)集記錄了4年內(nèi)北京市區(qū)6332臺(tái)ATM機(jī)警報(bào)設(shè)備的數(shù)據(jù)，每條記錄包括報(bào)警類(lèi)型(3類(lèi)報(bào)警：類(lèi)型1為攝像頭報(bào)警，類(lèi)型2為人員手動(dòng)報(bào)警，類(lèi)型3為震動(dòng)傳感器的報(bào)警)和地理位置的相關(guān)字段。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)之后，基時(shí)間粒度選擇“日”，周期時(shí)間粒度選擇“年”，之后呈現(xiàn)的概覽圖如圖5所示：紅色曲線(xiàn)代表攝像頭報(bào)警，藍(lán)色曲線(xiàn)代表人員手動(dòng)報(bào)警，綠色曲線(xiàn)為震動(dòng)報(bào)警。從圖中我們分析得到如下特征：

?震動(dòng)報(bào)警全年波動(dòng)較大，并且在每年1，2月份有較為明顯的高峰；

?人員手動(dòng)報(bào)警數(shù)量很少，只有個(gè)別時(shí)間是爆發(fā)期；

圖5 報(bào)警類(lèi)型周期概覽圖

為了進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其中的周期性規(guī)律。我們?cè)诟庞[圖中選擇1，2月份，生成族線(xiàn)圖。族線(xiàn)圖中每年1，2月份的震動(dòng)報(bào)警曲線(xiàn)并不完全重合，但具有類(lèi)似的波峰波谷。

接著將概覽圖由徑向布局轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)布局，并顯示詳細(xì)日期。我們發(fā)現(xiàn)具有明顯波峰的日期是2011年2月3日2012年的1月23日24日、2013年的2月10日11日、2014年的2月1日2日。我們推測(cè)這可能與中國(guó)農(nóng)歷春節(jié)有關(guān)，例如按照中國(guó)的傳統(tǒng)習(xí)慣新年會(huì)燃放煙花爆竹，而這可能導(dǎo)致震動(dòng)報(bào)警數(shù)量集體升高。

于是我們將歷法調(diào)節(jié)為農(nóng)歷，族線(xiàn)圖中的曲線(xiàn)基本重合了。之前發(fā)現(xiàn)的震動(dòng)報(bào)警波峰的日期也恰好是農(nóng)歷春節(jié)前后。以上內(nèi)容與我們的推測(cè)一致，說(shuō)明農(nóng)歷新年對(duì)震動(dòng)報(bào)警確實(shí)有周期性影響。

案例二：

我們?cè)诎咐坏幕A(chǔ)之上繼續(xù)分析，選擇接警處置數(shù)目與出勤情況為指標(biāo)對(duì)員工進(jìn)行業(yè)績(jī)?cè)u(píng)估工作。

調(diào)節(jié)基時(shí)間粒度并分析柵格圖中的員工業(yè)績(jī)相關(guān)細(xì)節(jié)圖，如圖6，我們得到如下特征：

?基時(shí)間粒度選擇“日”，各項(xiàng)指標(biāo)中只有少部分員工業(yè)績(jī)突出，大多數(shù)員工業(yè)績(jī)平平；

?基時(shí)間粒度選擇“時(shí)”，部分員工遲到早退現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

首先挑選出接聽(tīng)對(duì)講數(shù)較高的員工A，繼續(xù)分析研究該員工的出勤狀況時(shí)，發(fā)現(xiàn)該員工雖然接警數(shù)目較高，但出勤情況不佳，遲到早退現(xiàn)象嚴(yán)重。

接下來(lái)選擇接聽(tīng)對(duì)講數(shù)目同樣較高的員工B，在分析研究其出勤狀況時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)該員工的出勤足額，平均每日比員工A的工作時(shí)間要多兩小時(shí)。并且員工B的接警處置數(shù)目上升的趨勢(shì)非常明顯，據(jù)此我們推斷該員工是一名勤懇有潛力的優(yōu)秀員工。

5 結(jié)論與未來(lái)工作

本文總結(jié)了時(shí)序數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域在布局方法、表達(dá)方式、交互方式和相關(guān)工具及類(lèi)庫(kù)的研究成果和面臨的挑戰(zhàn)，繼而提出了一個(gè)名為時(shí)序螺旋的時(shí)序數(shù)據(jù)交互式可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在通過(guò)可視分析的方法，數(shù)據(jù)維度之間的相關(guān)性關(guān)系和周期性規(guī)律?？紤]到時(shí)間屬性的特殊性，本文從時(shí)間屬性的兩個(gè)輔助描述的人工抽象概念：時(shí)間粒度和時(shí)間原語(yǔ)入手，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)。具體地說(shuō)，系統(tǒng)使用tauZaman作為歷法和數(shù)據(jù)粒度后端API，參考了TimeBench將時(shí)間邏輯與可視化界面分離的經(jīng)驗(yàn)，在web前端使用javascript搭建了整個(gè)服務(wù)。

在可視化呈現(xiàn)上，時(shí)序螺旋整體上使用多視圖模型協(xié)同呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的不同特征。在主體區(qū)域，時(shí)序螺旋通過(guò)概覽圖和柵格圖構(gòu)造了一個(gè)細(xì)節(jié)+上下文的交互模式，允許用戶(hù)靈活地調(diào)節(jié)時(shí)間粒度范圍和時(shí)間跨度，以調(diào)查數(shù)據(jù)是否蘊(yùn)含周期模式。概覽圖通常以年輪圖的方式呈現(xiàn)，在細(xì)節(jié)上使用了聚焦+上下文模型避免螺旋爆炸問(wèn)題，并且可以從徑向布局切換到線(xiàn)性布局以方便精確讀值。此外，柵格圖用族線(xiàn)的方式分別呈現(xiàn)每一個(gè)數(shù)據(jù)維度，以方便用戶(hù)比對(duì)。時(shí)序螺旋綜合地使用了多種交互模型和呈現(xiàn)方式，通過(guò)案例證明了其實(shí)用性。

時(shí)序螺旋在使用上依然有一些限制，主要是在數(shù)據(jù)維度的可擴(kuò)展數(shù)量方面和時(shí)間長(zhǎng)度方面。如果時(shí)間數(shù)據(jù)維度過(guò)多，例如超過(guò)15個(gè)，那么生成的概覽圖會(huì)十分凌亂。如果時(shí)間長(zhǎng)度很長(zhǎng)而選擇的周期時(shí)間粒度很短，那么生成的概覽圖以目前的方法展示力度仍然有限。故而，在這些方面依然需要進(jìn)一步的改進(jìn)。對(duì)此，采用類(lèi)似fisheyelines這樣的技術(shù)來(lái)擴(kuò)展時(shí)間軸是一個(gè)可能的發(fā)展方向。

我們感興趣的未來(lái)工作之一是將時(shí)序螺旋與數(shù)據(jù)挖掘方法結(jié)合。在最近的研究中，時(shí)間序列相似性與預(yù)測(cè)算法[30] [31]應(yīng)用在數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域。雖然數(shù)據(jù)挖掘本身與可視分析是兩個(gè)不同的研究領(lǐng)域，但是如果能使用機(jī)器智能預(yù)先地發(fā)現(xiàn)一批規(guī)律，再經(jīng)過(guò)人工篩選，無(wú)疑會(huì)大大提高時(shí)序數(shù)據(jù)維度之間的相關(guān)性關(guān)系和周期性規(guī)律的發(fā)現(xiàn)效率。此外，將時(shí)序螺旋應(yīng)用到金融、互聯(lián)網(wǎng)等諸多民生相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步地實(shí)證研究，也是未來(lái)的研究?jī)?nèi)容之一。

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(責(zé)任編輯：馬玉鳳，昝小娜)

An Interactive Visual System for Time Series Data

WANG Cheng-cheng，ZHU Li-gu，ZHANG Di

(Beijing Key Laboratory of Big Data in Security & Protection Industry， Science and Engineering Department，Communication University of China，Beijing 100024)

Massive data has been produced all the times，in the fields of science，economy，engineering and so on. Mining the correlation characteristic and periodic law contained in the multivariate time series data，is a key topic in the visualization community. On the basis of summarizing the past cases and visualization methods，this paper presents a visual interactive system called TimeSpiral. The system is designed based on the concept of time granularity and time primitives，aiming to excavate the correlation between the data dimension and the periodic law through the visual analysis method. TimeSpiral integrated the annual growth ring，cluster and other periodic data visualization layout methods，supplemented by some interaction models. Finally，we use two case analysis which are based on real data sets to demonstrate the effectiveness of our approach in exploring and understanding multidimensional time series data.

series data；visibility analysis；human-computer interaction；user interface；periodic trend

2016-05-03

王程程(1990-),女(漢族)，山東煙臺(tái)人，中國(guó)傳媒大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院研究生. E-mail：salayier@163.com

TP309.2

A

1673-4793(2017)01-0064-08